第四章钢的热处理及表面强化技术

1、概概 述述1 1、热处理的定义、热处理的定义: :钢的热处理是将钢在固态下以适当的方式进行钢的热处理是将钢在固态下以适当的方式进行加热加热、保温保温和和冷却冷却，以获得所需组织和性能的工艺过程。，以获得所需组织和性能的工艺过程。时间温度临界温度临界温度 热热加加保温保温冷冷 却却2.热处理的主要目的热处理的主要目的: :改变钢的性能。改变钢的性能。3.热处理的热处理的应用范围应用范围: :整个制造业。整个制造业。4.按目的、加热条件和特点不同按目的、加热条件和特点不同热处理热处理分为分为热处理热处理普普 通通热处理热处理表表 面面热处理热处理退火退火;正火正火;淬火淬火;回火回火;表面淬火表面

2、淬火 化化 学学 热处理热处理感应加感应加热淬火热淬火火焰加火焰加热淬火热淬火渗碳渗碳; 渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗;钢加热时的组织转变钢加热时的组织转变 钢的表面强化技术钢的表面强化技术 钢的最终热处理（一）钢的最终热处理（一）淬火与回火淬火与回火 钢的最终热处理（二）钢的最终热处理（二）表面热处理表面热处理 钢的预备热处理钢的预备热处理退火与正火退火与正火 钢的热处理是指将钢在固态下进行钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以获得所需的组织加热、保温和冷却，以获得所需的组织和性能的工艺方法。通过适当的热处理，和性能的工艺方法。通过适当的热处理，能显著提高钢的力学性能，以满足零件能

3、显著提高钢的力学性能，以满足零件的使用要求和延长零件的使用寿命；能的使用要求和延长零件的使用寿命；能改善钢的加工工艺性能（如切削加工性改善钢的加工工艺性能（如切削加工性能、冲压性能等），以提高生产率和加能、冲压性能等），以提高生产率和加工质量；还能消除钢在加工（如铸造、工质量；还能消除钢在加工（如铸造、焊接、切削、冷变形等）过程中产生的焊接、切削、冷变形等）过程中产生的残余内应力，以稳定零件的形状和尺寸。残余内应力，以稳定零件的形状和尺寸。 1奥氏体的形成过程 奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的形成 共析钢：共析钢：PA A1（PSK）线以上）线以上亚共析钢：亚共析钢：P+FA+FA A3（GS）线

4、以上）线以上过共析钢：过共析钢：P+ Fe3CII A+ Fe3CII A Acm（ES）线以上）线以上2奥氏体晶粒大小的控制 钢奥氏体化的加热温度愈高、保温时钢奥氏体化的加热温度愈高、保温时间愈长，得到的奥氏体晶粒愈粗大，冷却间愈长，得到的奥氏体晶粒愈粗大，冷却后钢的强度、塑性和韧性愈差，且易引起后钢的强度、塑性和韧性愈差，且易引起淬火裂纹。因此，生产中常需合理控制钢淬火裂纹。因此，生产中常需合理控制钢的加热温度和保温时间，以获得细晶奥氏的加热温度和保温时间，以获得细晶奥氏体组织。体组织。 1、钢在热处理时的冷却方式、钢在热处理时的冷却方式在热处理生产中，常用的冷却方式：在热处理生产中，常用

5、的冷却方式：等温冷却等温冷却和和连续冷却连续冷却。等温冷却转变等温冷却转变 使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1 以下某温度保温，在等温下发生组织转变。以下某温度保温，在等温下发生组织转变。连续冷却转变连续冷却转变 使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变2过冷奥氏体等温转变图过冷奥氏体等温转变图 3奥氏体冷却转变的产物奥氏体冷却转变的产物4、奥氏体冷却转变的、奥氏体冷却转变的的（过程）组织和性能的（过程）组织和性能 1、珠光体型转变高温转变（A1 550 ）A1 650 片层珠光体 25HRC650 60

6、0 细片状珠光体（索氏体 S）25HRC30HRC 600 550 极细片状珠光体（托氏体 T）35HRC40HRC2.贝氏体型 ( B ) 转变 中温转变( 550 MS ) 根据组织形态和转变温度不同，贝氏体一般可分为上贝氏体和下贝氏体两种550 350 羽毛状上贝氏体（B上） 40 50HRC350 Ms 黑色针叶状下贝氏体（B下）下） 45 55HRC与B上上比较， B下下具有良好的综合力学性能，在生产中常用等温淬火来获得B下下组织3、马氏体型 ( M ) 转变 (Ms Mf)当奥氏体快速过冷至马氏体点（Ms）以下时则发生马氏体转变。与前两种转变不同，马氏体转变是在一定温度范围内（Ms

7、 Mf之间）连续冷却时完成的（1）分析奥氏体的等温冷）分析奥氏体的等温冷却转变却转变 （2）估计奥氏体的连续冷）估计奥氏体的连续冷却转变却转变 1、退火：将钢加热到适当温度（临界温度以临界温度以 上上3050 ），保温一定时间，然 后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。2、目的为最终热处理作好组织准备 1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能； 2）细化晶粒，消除组织缺陷； 3）消除内应力 。1）完全退火定义：将钢加热Ac3以上3050C,完全奥氏体后， 保温一定时间随之缓慢冷却到600C以下 ，出炉空冷。组织：细小而均匀的平衡组织（铁素体+珠光体）目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利 于切削加工

8、。适用范围：亚共析钢型材。2）球化退火定义：将钢加热到Ac1以上2030 C，保温后随 炉缓冷至600 C，出炉空冷，使钢中碳化 物呈球状的工艺方法。组织：球状珠光体（渗碳体呈球形的细小颗粒，弥散 分布在铁素体基体中）目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性 能。适用范围：主要用于过共析钢、合金工具钢。3）去应力退火定义：将钢加热到Ac1以下（一般约为500 600 C），保温后随炉缓冷至200-300 C 出炉空冷，又称低温退火。目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力 。 （没有发生组织变化）适用范围：用于所有的钢。1、概念：、概念：将钢件加热到将钢件加热到Ac3或或Accm线以上线以上305

9、0 C ，保温适当的时间后，在，保温适当的时间后，在空气空气中冷却。中冷却。2、正火与退火的区别：、正火与退火的区别：正火与退火的目的基本相同，但正火的冷却速度比正火与退火的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，正火后得到的珠光体组织比较细，强度、退火稍快，正火后得到的珠光体组织比较细，强度、硬度比退火钢高。硬度比退火钢高。 3 3、目的及应用：、目的及应用：1 1）对力学性能要求不高的结构、零件，可用正火）对力学性能要求不高的结构、零件，可用正火 最为最终热处理，以提高其强度、硬度和韧性。最为最终热处理，以提高其强度、硬度和韧性。2 2）对低、中碳钢（）对低、中碳钢（S+F ），可用正火

10、作为预备热），可用正火作为预备热 处理，可提高硬度和强度，改善切削加工性；处理，可提高硬度和强度，改善切削加工性；3 3）对高碳钢（）对高碳钢（S ），正火可抑制渗碳体网的形成，），正火可抑制渗碳体网的形成， 可为球化退火作准备可为球化退火作准备 。 正火比退火生产周期短，成本低，操作方便，正火比退火生产周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下应优先采用正火。但在零件形故在可能的条件下应优先采用正火。但在零件形状较复杂时，由于正火的冷却速度较快，又引起状较复杂时，由于正火的冷却速度较快，又引起开裂的危险，则采用退火为宜。开裂的危险，则采用退火为宜。图图4-12 碳钢正火与退火后的大致硬度碳钢

11、正火与退火后的大致硬度 机械制造最常用的钢件毛坯是轧材、锻件和铸件。机械制造最常用的钢件毛坯是轧材、锻件和铸件。当采用轧材毛坯时，因轧钢厂已对其进行适当的热处理，当采用轧材毛坯时，因轧钢厂已对其进行适当的热处理，故可直接切削加工而不再进行预备热处理；当以锻钢件故可直接切削加工而不再进行预备热处理；当以锻钢件或铸钢件做毛坯时，应先退火或正火然后再行切削加工。或铸钢件做毛坯时，应先退火或正火然后再行切削加工。选用退火或正火时，不仅应考虑消除铸件或锻件的热加选用退火或正火时，不仅应考虑消除铸件或锻件的热加工缺陷，还需考虑改善钢的切削加工性能。工缺陷，还需考虑改善钢的切削加工性能。概念概念 将钢件加热

12、到将钢件加热到Ac3或或Ac1以上某一温以上某一温度，保持一定时间后，快速冷却的热处理度，保持一定时间后，快速冷却的热处理工艺。工艺。目的目的 为了获得马氏体（或贝氏体）组织，为了获得马氏体（或贝氏体）组织，提高钢的硬度、强度和耐磨性，并保持足提高钢的硬度、强度和耐磨性，并保持足够的韧性够的韧性1淬火工艺淬火工艺（1）淬火加热温度）淬火加热温度（2）加热保温时间）加热保温时间 （3）淬火介质）淬火介质 2常用淬火方法常用淬火方法（1）单介质淬火法）单介质淬火法 （2）双介质淬火法）双介质淬火法 （3）马氏体分级淬火法）马氏体分级淬火法 （4）贝氏体等温淬火法）贝氏体等温淬火法 淬火加热后组织淬

13、火加热后组织 M+Fe3C+A残残 Ac1+3050过共析钢过共析钢 M + A残残 Ac1+3050 共析钢共析钢 M + A残残 Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Wc0.5% M Ac3+3050亚共析钢亚共析钢Wc0.5% 最终组织最终组织淬火温度淬火温度() 钢种钢种单液淬火 将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。 优点：操作简单，容易实现自动化缺点：易产生淬火缺陷， 水中淬火易产生变形和 裂纹，油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。应用：碳钢一般用水作冷却介质，合金钢可用油作冷却介质。双液淬火将加热的工件先投入一种冷却能力强的介质中冷却，然后在接近Ms点温度（钢的组织还未开始

14、转变时迅速取出），马上浸入另一种冷却能力弱的介质中使之发生马氏体转变的淬火，称为双介质淬火。优点：内应力小，变形及开裂小。缺点：操作困难，不易掌握应用：由碳素工具钢制造的易开裂工件，如丝锥。 马氏体分级淬火：定义：将加热的工件先放入温度为Ms点附近的盐或碱浴 中，稍加停留，等工件整体温度趋于均匀时，再 取出空冷以获得马氏体。优点：有效减小内应力，防止变形与开裂缺点：对于碳钢零件，淬火后会出现非马氏体组织应用： 尺寸小，形状复杂工件 贝氏体等温淬火：定义：将加热的工件先放入稍高于Ms点温度的盐或碱浴 中，保温足够时间，使其发生下贝氏转变后出炉 空冷。优点：内应力小，工件不易变形与开裂，具有良好的

15、综合力学性能。应用：用于处理形状复杂，尺寸要求精确，并且硬度和韧性都要求较高的工件如：各种冷、热冲模，成型刃具，弹簧等1回火对淬火钢组织及性能的影响回火对淬火钢组织及性能的影响 2回火的种类及应用回火的种类及应用 （1）低温回火：回火温度为）低温回火：回火温度为150250，其目的是获得高硬度、高，其目的是获得高硬度、高耐磨的回火马氏体组织，常用于要求高硬度（耐磨的回火马氏体组织，常用于要求高硬度（5664HRC 或或5358HRC）的各种工具、耐磨零件以及渗碳淬火或表面淬火零件等。）的各种工具、耐磨零件以及渗碳淬火或表面淬火零件等。（2）中温回火：回火温度为）中温回火：回火温度为350500

16、，其目的是获得高强度和足，其目的是获得高强度和足够韧性的回火托氏体组织，主要用于硬度要求为够韧性的回火托氏体组织，主要用于硬度要求为3552HRC的各种的各种弹簧、热作模具及某些螺钉、销钉等高强度零件。弹簧、热作模具及某些螺钉、销钉等高强度零件。（3）高温回火：回火温度为）高温回火：回火温度为500650，其目的是获得综合力学性，其目的是获得综合力学性能良好的回火索氏体组织。钢的淬火能良好的回火索氏体组织。钢的淬火+高温回火的复合热处理，称为调高温回火的复合热处理，称为调质。调质主要用于硬度要求质。调质主要用于硬度要求2032HRC、综合力学性能良好的重要零、综合力学性能良好的重要零件，如主轴

17、、曲轴、某些齿轮以及表面淬火件或渗氮零件等。件，如主轴、曲轴、某些齿轮以及表面淬火件或渗氮零件等。 1钢的淬硬性钢的淬硬性 2钢的淬透性钢的淬透性 1）淬透性）淬透性:指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得 马氏体组织深度的能力。马氏体组织深度的能力。2）影响淬透性的因素）影响淬透性的因素: 钢的临界冷却速度，钢的临界冷却速度，Vc越低，钢的淬透性越好越低，钢的淬透性越好 钢的化学成分钢的化学成分 （增加过冷奥氏体稳定性，降低（增加过冷奥氏体稳定性，降低Vc，钢的淬透性越好），钢的淬透性越好）3）淬透性的应用）淬透性的应用: 淬透性好的钢，经淬火回火后，截面上组织

18、均匀一致，综淬透性好的钢，经淬火回火后，截面上组织均匀一致，综 合力学性能好。因此，钢的淬透性对提高大截面零件的力合力学性能好。因此，钢的淬透性对提高大截面零件的力 学性能，发挥材料潜力，具有重要的意义。学性能，发挥材料潜力，具有重要的意义。 淬透性好的钢，在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质，淬透性好的钢，在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质， 减小工件淬火的变形及开裂倾向。减小工件淬火的变形及开裂倾向。淬硬性：淬硬性：是指钢在理想条件下淬火成马氏体后所能是指钢在理想条件下淬火成马氏体后所能 达到的最高硬度。达到的最高硬度。 影响钢的淬硬性的因素影响钢的淬硬性的因素 主要取决于钢含碳量。主要

19、取决于钢含碳量。低碳钢淬火的最高硬度值低，淬硬性差；低碳钢淬火的最高硬度值低，淬硬性差；高碳钢淬火的最高硬度值高，淬硬性好。高碳钢淬火的最高硬度值高，淬硬性好。淬硬性与淬透性之间的关系淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬透性淬硬性淬硬性钢钢 种种小小低低碳素结构钢碳素结构钢 ( 20 )小小高高碳素工具钢碳素工具钢( T10A )大大低低低碳合金结构钢低碳合金结构钢( 18Cr2Ni4WA )大大高高高碳高合金工具钢高碳高合金工具钢( Cr12MoV )1概述概述 钢的表面淬火是指将钢件表层快速加热奥氏体钢的表面淬火是指将钢件表层快速加热奥氏体化，并淬火成马氏体，而心部保持原有组织不变的化，并淬

20、火成马氏体，而心部保持原有组织不变的表面热处理工艺。它主要用于表层要求较高的硬度表面热处理工艺。它主要用于表层要求较高的硬度（5258HRC）和耐磨性，心部要求综合力学性）和耐磨性，心部要求综合力学性能良好（能良好（2228HRC）的表面淬火零件，如轴类、）的表面淬火零件，如轴类、齿轮、曲轴等。齿轮、曲轴等。 2表面淬火的常用方法表面淬火的常用方法 （1）感应加热表面淬火）感应加热表面淬火 （2）火焰加热表面淬火）火焰加热表面淬火 1概述概述 渗碳是将钢件在渗碳介质中加热至渗碳是将钢件在渗碳介质中加热至900950保保温，使渗碳介质分解释放出活性碳原子渗入钢件，以增加温，使渗碳介质分解释放出活

21、性碳原子渗入钢件，以增加其表层其表层WC的化学热处理工艺。它主要用于表面要求高硬的化学热处理工艺。它主要用于表面要求高硬度（度（5864HRC）、高耐磨性，心部要求较高强韧性）、高耐磨性，心部要求较高强韧性（相当于（相当于3545HRC）渗碳零件，如工作条件恶劣的汽）渗碳零件，如工作条件恶劣的汽车齿轮、石油钻机齿轮、机车轴承等。车齿轮、石油钻机齿轮、机车轴承等。 2常用渗碳方法常用渗碳方法 （1）气体渗碳）气体渗碳 （2）固体渗碳）固体渗碳 1气体渗氮气体渗氮 2离子氮化和软离子氮化和软氮化氮化 1电镀硬铬电镀硬铬 2化学镀镍磷化学镀镍磷 化学镀是指在无外加电流条件下，利用化学方法在金属表面沉积其他金属化学镀是指在无外加电流条件下，利用化学方法在金属表面沉积其他金属或合金的工艺方法。化学镀镍磷合金可提高工件表面的硬度、抗粘着性、减或合金的工艺方法。化学镀镍磷合金可提高工件表面的硬度、抗粘着性、减摩性，从而提高其耐磨性。摩性，从而提高其耐磨性。 气相沉积是指在一定成分的气体中加热至一定温气相沉积是指在一定成分的气体中加热至一定温度，通过化学或物理作用在钢件表面沉积其他金属或度，通过化学或物理作用在钢件表面沉积其他金属或金属化合物的工艺方法。在钢件表面沉积金属化合物的工艺方法。在钢件表面沉积TiN、TiC等等